国内外水质评价研究现状

1、国内外水质评价研究现状近年来，随着我国社会经济快速发展和人口的膨胀,水资源的需求急速增长.大量未经处理的工业废水和生活污水直接排入江，河.湖、海而使水体污染日益严，一水质明显下降.水环境污染的日益加剧已经产用制约了我国社会经济发展，危害了生态环境，影响了人民生活和身体健康.20世纪70年代以来,我国在水环境保护方面取得了前所未有的成就.初步控制了水环境污染急剧将化的势头，但当前水环境污染状况依然十分产峻,水污染已经成为一个全局性问翘.2005年,全国七大水系（珠江.长江.淮河、黄河.海河、辽河以及松花江）的411个地表水监测断面中，有27%为劣V类水质，基本丧失使用功能.2006年，虽然七大水

2、系劣V类比重将有下降，为26%：但在全国地表水中.所占比例仍高达28%.在水资源相对短缺的北方地区，污染状况更加令人触目惊心,“有河皆牯，有水皆污k并非虚言.从水利部的统计数字来看，海河和辽河两大流域劣V类水质所占的河流长度,都超过了半数】而在海河流域南系的子牙河、大清河以及海河干流，这个比例甚至接近三分之二*在这样的大环境下，城市饮用水的安全自然失去保障.全国113个环保重点城市的222个地表饮用水水源地，平均水质达标率只有72%地表水遭到污染后，污染物会向地层深处逐步淮透，目前中国约二分之一的城市市区地下水也污染严重.在城市之外,全国人大环资委提交的报告中指出，在整个淮河流域，50米以内的

3、眈乂浅层地下水都已经变成V类水质,丧失了水功能；50米至300米的中层地下水，也已出现局部污染，城市地表水污染仍朝着加重的方向发康，剧增的工业废水和生活污水致使几乎所有城市湖泊都受到不同程度的污染.2如7年6月爆发的太湖蓝落事件，使无锡市全市停水数天,再次给人们敲响了警钟.济南市作为山东省的政治、经济中心，一直以来就是一个责源性缺水城市.又加上保护泉水风貌的需要，城市用水大依靠地表水提供口玉清湖水库作为济南市的三个客水水源地之一.其水质的好坏对济南市的供水具有重要影响,本文依托玉清湖水库为研究对象，选取了“玉清湖水库水质评价及预测研究”为题展开研究.通过对玉清湖水库水质评价及水质预测的研究，为

4、玉清湖水库的水环境管理和规划提供重要科学依据.1.2水是生命之源，同时也是关系到国计民生的不可替代资源.进入20世纪以来，人口剧增，经济发展迅速，在水的需求量大幅增加的同时，使水体污染越发加剧，致使许多国家和地区出现水危机.水污染的控制和解决已经成为人类至待解决的重要问题之一，水质问题正在成为成为全球关注和研究的焦点问题.因此，合理进行水环境规划管理、水污染综合防治己成为亟待完成的重要任务之一.而水质的评价和预亮则是这些任务顺利实现不可或缺的基础工作，是具有普遍意义的一项重要内容.1.2.1 水质评价研究现状随着水质评价研究的深入，水质评价工作也在积极吸纳各相关学科和领域的研究成果同时，不断发

5、展和成熟.自从20世纪60年代Ja8bs提出水体质量评价的水质指数(WQI)概念和公式以来,国内外就不断有文献讨论水质评价的方法,但至今仍缺乏统一的、公认的评价模式.近年来，水质评价的确定性方法主要有综合指数法(均方差模式、指数模式及向量模式)和分级评分法由综合指数法存在着这样或那样的不足，但它的优点是计算简单、便于操作，所以在水质评价的实践中该方法依然被广泛应用.分级评分法一般仅适用于较为粗浅的水质评价.20世纪80年代以来,一些不确定性、非线性理论方法的出现和计算机技术的推广应用，为水质评价新模式的产生提供了理论依据和技术支持.不确定方法主要有模糊模型法、灰色系统理论方法、数理统计方法、物

6、元分析方法、投影寻踪方法、神经网络方法、随机理论评价法、属性识别法及新提出未确知理论方法.从已有研究成果看，模糊集理论方法和灰色系统理论方法在水质评价研究中占有举足轻重的地位，但这两肿评价方法都存在自动化程度不高、评价结果受人为主观性因素影哨大的缺陷.在水质评价中，涉及到大量的复杂现象和多种因素的相互作用，而且评价中存在大置的模糊现象和模糊概念.到目前为止，模糊理论已被广泛用于各种类型水体水质的评价中.目前，主要有两种模糊理论评价模型，分别为模糊综合评价模型和模糊模式识别模型.模糊综合评价以模糊数学为基础,应用模糊关系合成原理,将一些边界不清、不易定量的因素定量化,进而实现综合评价.刘荣珍，赵

7、军在文献10采生模糊综合评价方法,对长江17个地区的水质状况进行了综合评价.根据长江水域17个观测点两年多的水质情况监测数据,确定了评价因子集,建立了评价因素矩阵，计算了影响因子权簟,对长江水质情况进行了综合评价,获得了各水域的水质级别.文献11应用模糊综合评价法对岷江流域地表水进行了评价。但常用的取大取小算法可能会导致信息丢失过多，出现评价结果趋于均化、不易分辨的现毂制.文献12对最大隶属度原则方法作了改进，提出加权平均型计算模式,取得了较好的评价效果.在模糊评价方法中,大连理工大学的陈守煜教授皿基于相对隶属度理念，提出了模糊系统评价的模糊模式识别模型.由于该模型在评价中较好地克服了模糊综合

8、评价法评价结果均值化倾向，使评价结果的分辨率大幅提高，该法成为近年来环境评价领域发展较快的一种模糊评价方法心.此外，文献】5,16,17还将模糊理论与神经网络原理相结合评价湖泊水质状况，文献18则根据水质评价中存在的模糊性和随机性,引入了Shannon礴描述水质评价系统的不确定性,并基于Jaynes的信息礴最大原理,提出了一种新的水质模糊评价模型文献U9采用灰色模型确定关键污染因子再运用模糊法对河水水质进行综合评价,通过对某个时间段内污染物监洌数据的灰色处理,从动态中找出关键因子,再运用模糊法进行综合评价.从系统信息明确与否来看，水质评价实际上是一个外延确定而内涵不确定的问题,属于灰色系统范购

9、。灰色系统理论是我国学者邓聚龙教授阿于1982年提出的。灰色系统理论在环境评价中的应用也是从聚类分析开始的聚类分析力切是按研究对象在性质上的亲疏关系进行分类的一种多元统计方法,能移反映样本间的内在组合关系灰色聚类则是在聚类分析方法中引进灰色理论的白化函数而形成的,是将聚类对象对不同聚类指标所拥有的白化数,按几个灰类进行归纳，以判断该聚类属于哪一类随着灰色理论在环境系统中的大盘应用，又出现了水质评价的灰色关联度分析方法a雨.灰色关联分析法概会清楚,应用方便，可操作性强但存在评价值趋于均化、分辨率不高的缺点.文献24针对灰色关联分析法存在不同层次的缺陷提出了一种改进的灰色关联度层次分析法.文献25

10、为了改进灰色关联分析模型评价精度低的缺点,将变异系数法与灰色关联分析方法相结合,建立起基于变异系数法的灰色关联分析模型文献26则采用线性内插的方法对灰色关联度法进行了改进,提高了评价结果的分辨率.27提出了量化影响河流水质的随机不确定性与灰色不确定性的水质超标灰色随机风险率概念,建立了水质超标灰色随机风险率评价模型.文献28,29还在灰色关联度理论的基础上，参照模糊识别模式理论，提出了水质评价的灰色模式识别模型.此外，文献30,31还从水环境系统的模糊性、灰色性相耦合的角度评价水质质量.近年来，国内陆续有研究者采用数理统计方法评价水质状况。文献32应用多元统计分析中H&dlinmgT2

11、检验法进行评价分析得到了满意结果，以两个年度水质监测5项指标的监测数据为例,同时用t检验和HetellingT?检验进行评价分析,结果表明,HetellingT2检验具有更好的实用性和合理性.文献33以主成分分析法对地表25个水体水质状况进行评价研究.文献34以特征分析方法、文献35以主盘分析法分别对江河、湖泊水质状况进行了评价.需要指出的是,数理统计法往往需要大立的实测数据支撑,对水质样本容量较小情形则不适用.在水质评价中，各单项水质指标评价结果往往是不相容的由蔡元教授创立的物元分析原理，对这种不相容问题能够给予很好地解决画.物元理论是集系统科学、思维科学、数学于一体的交叉学科,物元分析法是

12、研究解决矛盾问题规律的有效方法之一，它可以将复杂问题抽象为形象化的模型,并应用这些模型研究基本理论,提出相应的应用方法.利用物元分析方法,可以建立事物多指标性能参数的质量评定模型，并能以定置的数值表示评定结果,从而能够较完整地反映事物质量的综合水平阿文献38,39,40将该方法用于湖泊和地下水水质评价研究,得到了较合理的评价结果.另外，文献41在物元分析的基础上，与模糊理论结合，提出了水质评价的模糊物元耦合模型.20世纪70年代,Friedman提出了多元数据分析的投影寻踪(ProjectionPursuit,PP)方法冏,分析和处理非正态高维数据的基于数据业动的新兴统计方法,其基本思想是把高

13、维数据按照一定的方向投影到低维(13维)子空间上,以投影指标函数来衡量投影所反映出的原始数据结构特征，并从不同投影中寻找出使投影指标函数达到最优的投影值,再根据该投影值与研究系统的输出值之间的数据关系构造数学模型,最后以该数学模型预测系统的输出相对于前述几类评价模式，投影寻踪法求解多指标样本分类的非线性问题，对水质等级分辨率更高,而且还可以克服由人为乐权带来的干扰,是一种值得推荐的水质评价方法.文献43针对农业液溉用水水质综合评价过程中存在的评价结果不相容性和难以客观反映水质的真实属性等问题，采用投影寻踪综合评价模型，并采用实数编码的免疫遗传算法进行模型优化求解，较好地解决了系统综合评价中的片

14、面性和不相容性问通.文献44为解决各单项水质评价指标评价结果的不相容问题，提高水质综合评价各层次的分辩力和评价模型的精度，采用大样本数据，利用投影寻踪、遗传算法、插值型曲线和水质评价标准，为水质综合评价建立了一种新的数学模型一遗传投影寻踪插值模型。文献42,45针对投影寻踪模型中密度窗宽参数的确定目前还没有很好方法的问题，从模型的数学构造入手对定度窗宽参数的取值进行了分析探讨，推导得出了计算的试验公式。人工神经网络(ArtificalNeuralNetwork)是20世纪80年代迅速雌起的一门非线性科学,它力图模拟人脑的一些特征,如自适应性、自组织性和容错能力等,对事物进行分析判断.人工神经网

15、络也是一个数学模型，可以由电子线路来实现，也可以用计算机程序来进行模拟.它具有通过学习获取知识解决问题的能力，是人工智能的一种重要研究方法,在医疗诊断、自动控制领域取得了较好的应用效果.在水环境评价方面,主要是基于误差反向传播算法的的惯型BP网络模型和具有模式联想功能的反馈式人工神经网络模型Hopfield模型.文献147-51采用这类人工神经网络方法对河流水质、湖泊水体育营养化程度进行了评价研究.针对标准BP网络模型算法收敛速度较慢、稳定性差、易陷入局部极小等缺点，文献52用径向基函数(RBF)构造多层前馈BP神经网络评价水质，取得了较好效果.此外，文献16,53将人工神经网络技术与模糊数学

16、理论相结合，提出了湖泊水展富营养化评价的模糊神经网络模型.人工神经网络模拟了人类的思维方式，对事物的判断、分类不需要预先建立某种模式,只需根据事物的本质特征,采用直观的推理判断即可,省去了建模过程中由人为因素带来的影响,因此评价结果更具客观性,精度也更就是很有应用前景的水质评价方法.属性识别朝的方法通过建立评价指标的属性测度函数，利用置信度准则进行评判，能够取得较为精细的分类.文献54,55利用属性识别的方法对水质进行评判，此模型为水质评价提供了一种简便实用的评价方法.除以上方法外，由于无论是河流，还是湖泊水体，其水质浓度都是随机波动的,所以有人尝试运用随机理论评价河流水质倒向，这类研究还比较

17、少，但却指出了一个重要的水质评价研究方向,文献58应用集对分析法对地下水进行了评价文献59应用G1S先进的空间数据管理功能和模型分析能力，对金沙江流域水环境质量进行了琮合分析评价，为金沙江的水污染控制提供了有效的支持.文献61从水环境系统具有的未确知性出发,运用未确知数学理论,建立水质评价未确知测度模型,通过引入置信度识别准则和评分标准，对待评水质样本进行分类和排序但这种评价方法有时会出现水质分类等级与样本水质优劣排序结果相矛盾的情况,因此如何有效地解决这一问题，还有待进一步探讨.1.2.2 水质颈测研究现状水质预测就是对研究水体的质量作出未来预测，是水污染综合防治的基础工作.水质预测在国外一

18、般通用的模型有:纽约州美国环境保护局的河网稳态模型（SNSIM）和河口模型（ESOO】）、纽约州曼哈顿学院土木工程系的浮游植物模型（LAKE）、美国国家环境保护局提出的多参数综合水质模型（WASP）等等侬国内的水质模型的研究、计算从七十年代才开始进行.近年来，国内通过建立水质模型进行河流研究也取得了较大的成功，如苏州河综合整治、太湖流域河网水环境治理等等，不仅具有重要的经济价值，而且都为管理和规划提供了比较系统的信息，并在此基础上做出了比较切合实际的决策.我国常用的预测方法与某些评价方法拥有理论上的同源性，包括数理统计预测法、灰色系统理论法必寓、人工神经网络颈测法.内、水质模拟模型法、混沌预测

19、法何、投影寻踪回归法等等.文献63根据湖泊水体中所含高隹酸盐指数、氨氮、总磷等主要化学指标及其相关因素人口、工业产值和污水排放量的数据，采用了多元线性回归方法建立了湖泊水质预测的数学模型并用多元线性回归和灰色模型联合的方法进行了实际预测。文献64应用灰色系统理论，建立了我国第一个大型集中供水城市地下水常量组份的灰色预测模型，并应用模型对该区地下水水质进行了详细的预测研究.文献65依据“1995年2004年长江流域水质报告”中的数据和水质污染的特性，建立了灰色预测模型，对长江水质未来10年的发展趋势做出了预测分析.文献66,67针对灰色颈测对波动较强的序列只能预涎大致变化的缺陷，利用灰色GM（1

20、,1）颈测模型和人工神经网络预测模型相结合而成的灰色神经网络模型，对河流和湖泊的水质进行预测，取得了较高的预测精度。文献70应用灰色理论，结合水质监测资料，建立了马尔可夫桂式灰色预测模型，利用南宁市也江的连续实测数据，预测世江水质的变化，将预测值与实测值加以对比，证明了马尔可夫桂式灰色预测模型在水质预测中的可行性,文献68,69基于混沌理论、相空间簟构思想和嵌入理论，计算吸引子维数和最大的Lyapunov指数，从总体上把握河流水质系统的复杂特征，研究复杂系统的内在演化规律，并以混沌相空间模线性回归模型预测河流水质系统的短期发展变化趋势。李如忠在文献71提出了基于未确知理论的河流水质未确知模拟预测模型.另外，投影寻踪回归方法作为一种有效的数据驱动预测方法还未在水环境系统预测中应用，同故理统计预测方法一样，投影寻踪回归方法也需要较长时间的时间序列来保证其预测结